隨著標準和技術的不斷發展和演進，4.5G在網絡容量、峰值速率、時延等技術指標層面與4G相比均有了質的提升。3D MIMO作為4.5G的核心技術之一，打破傳統天線只能提供水平維度的限制，通過引入二維天線陣列，可同時實現水平和垂直方向上的MIMO，進一步提升MIMO可利用的空間維度，將MIMO多天線技術推向了一個更高的發展階段，為全面提升無線通信系統性能提供了更多發展空間。
隨著收發天線數目的逐漸增多和傳輸模式的不斷豐富，3D MIMO技術將繼續得到發展和演進，在提高數據傳輸效率和可靠性的同時，全面提升無線通信系統性能。
一、3D MIMO新天線&新技術，為提升4.5G傳輸性能提供更多可能
MIMO多天線技術作為LTE系統物理層的基本構成之一，主要可以分為空間復用、傳輸分集和波束賦形三種模式。它可以充分利用空間特性，通過在發送端和接收端均使用多根天線進行數據的發送和接收，對于提高數據傳輸的峰值速率、擴展覆蓋、抑制干擾、增加系統容量、提升系統吞吐量都發揮著重要作用, 已經成為下一代通信中的關鍵技術。
現有的MIMO傳輸方案由于受限于傳統的基站天線構架，一般只能在水平維度實現對信號空間分布特性的控制，還無法充分利用3D信道中垂直維度的自由度，未能從更深層次挖掘出MIMO技術對于改善移動通信系統整體效率與性能及最終用戶體驗的潛能。而隨著天線設計構架的演進以及AAS技術的實用化發展，移動通信系統的底層設計及網絡結構設計思路也發生了巨大變化，這一發展趨勢直接推動著MIMO技術向著更高維度發展，為進一步提升系統性能提供了更多可能。
針對現有基站天線結構在垂直維度賦形能力存在的缺陷問題，一種自然的想法便是增加垂直維度的物理天線端口，以實現在基帶對每個陣子的獨立控制。有源天線系統的興起，解決了基于現有的被動天線結構實現垂直賦形的難題，其將天線陣列中的每個輻射單元與相應的射頻/數字電路模塊集成在一起所構成，是能夠通過數字接口獨立控制每個陣子的主動式天線陣列。在有源天線系統中，基站與天線系統之間不再需要射頻電纜、塔放或RRU這樣的中間環節，基站設備與天線系統之間可以直接通過光纖進行連接。在這種情況下，射頻電纜這一橫亙在垂直維度物理天線端口開放之路上的障礙隨之迎刃而解。
空間自由度是MIMO多天下技術的安身立命之本。在有源天線系統技術的有力支持下，垂直維度的空間自由度的大門已悄然向MIMO技術開啟，簡單來說，有了有源天線系統技術，3D MIMO技術在不需要改變現有天線尺寸的條件下，可以將每個垂直的天線陣子分割成多個陣子，從而開發出MIMO的另一個垂直方向的空間自由度，從而將MIMO技術推向了一個更高的發展階段，為LTE傳輸技術的性能提升開拓出更廣闊的空間，使得進一步降低小區間干擾、提高系統吞吐量和頻譜效率成為可能。
二、3D MIMO成功突破應用場景限制，有效提升4.5G系統容量
一直以來，3GPP/3GPP2均采用2D信道模型作為參考信道模型，電磁波僅通過水平方向進行傳播，現有的MIMO技術研究也主要是針對2D信道進行的。
與傳統MIMO不同的是，3D MIMO中所采用的天線規模發生了巨大變化，天線數目大幅增加，隨著基站天線數目趨向于很多時，各UE的信道將趨向于正交，用戶間的干擾趨于消失，由此帶來的巨大的天線陣列增益將有效提升每個用戶的信噪比，因此可在相同的時頻資源上支持更多用戶的傳輸，提升小區的平均頻譜效率。3D MIMO通過引入新天線和新技術，在滿足靈活組網需求的同時，有效提升系統容量，已經得到了業內的廣泛關注。
1、3D MIMO從室外覆蓋高層樓宇更經濟
圖 普通扇區天線與3D MIMO天線室外覆蓋高層樓宇場景
傳統的基站為提高增益，垂直波瓣較窄，在覆蓋高層建筑時，往往只能覆蓋到部分樓層，從而需要多面天線來做覆蓋的場景。使用3D MIMO技術，則可以分裂出指向不同樓層位置的波瓣，在減少了天面建設需求的同時，也通過多個并行數據流傳輸，提高了頻率利用效率。
·占用天面少：利用常規天線覆蓋高層樓宇時，需要分別針對低層、中層和高層設置多個天面，而3D MIMO技術的天面需求則很少；
·垂直面覆蓋寬：3D MIMO天線相比常規天線，可實現單天線陣覆蓋整個樓層，垂直面的覆蓋角度可達+/-30度（而普通天線一般只能做到+/-8度）；
·具體舉例：以天線距離樓宇100米，站高30米為例，利用普通天線（為防干擾鄰區下傾角為內置6度），只能覆蓋9層樓；而在同天線點利用3D MIMO天線，則可覆蓋25層樓；
·虛擬分區：3D MIMO天線在覆蓋高層樓宇的同時，通過多個波束對應不同樓層形成虛擬分區，實現了空分復用的效果，同時也提升了頻譜效率。
2、3D MIMO技術的應用可以降低對鄰區的干擾
圖 3D MIMO天線在垂直面跟蹤終端
相比于常規天線的垂直面不能隨終端的位置實時調整，3D MIMO天線可通過AAS（有源天線陣子）組合而成，每個陣子均可獨立調整權值，波束在垂直面跟蹤終端，從而可從整體上降低對鄰區的干擾。
3、3D MIMO可實現垂直面空分復用，提升頻譜效率
圖 常規天線波束無法在垂直維度區分用戶
圖 3D MIMO天線在垂直維度區分用戶
相比于常規天線在垂直面不能實現針對終端的多波束，3D MIMO天線可實現針對不同終端的垂直面多波束，實現了垂直面空分，提升頻譜效率。上圖中UE1、2、4在水平面維度上與基站的夾角不同，所以基站可以在水平面維度形成3個分別對準他們的波束進行服務；然而UE2和UE3在水平維度上與基站的夾角相同，那么UE2和UE3的波束會形成相互干擾。
3D MIMO技術提供了垂直面波束賦形，將UE2與UE3從垂直維度上再進行一次區分，分別形成對準他們的波束為其進行服務。
雖然3D MIMO的天線產品和技術本身還存在許多有待深度研究的內容，但是目前的研究成果顯示，3D MIMO中新天線和新技術的引入對于現有網絡中天線技術的應用場景實現了成功的突破，可靈活適應高樓覆蓋、熱點宏覆蓋、體育場覆蓋、最后一公里等多種場景的室外宏覆蓋。
圖 3D MIMO應用場景
三、多天線技術持續演進，全面推動網絡智能化發展
4.5G通過提高網絡帶寬、提升網絡能力來支持更加豐富的新業務，為用戶帶來全新體驗。隨著移動互聯時代的到來，很多移動運營商的網絡都面臨著容量需求激增和站址資源難尋的矛盾。而移動通信技術的迅猛發展，使得4G網絡正以更快的節奏加速擁抱4.5G。
4.5G作為4G的平滑演進，是人們進入智能生活的重要推進器，它將移動通信首次帶入1Gbps時代，并傾力打造低時延、無處不在的全連接智能移動網絡。3D MIMO作為5G Massive MIMO技術應用于4.5G的一個重要特性，具有組網靈活、有效降低選址難度、增強覆蓋、降低干擾、提升容量等優點，已經成為4.5G的核心技術。
Massive MIMO通過大量增加通信的天線數量，使得系統性能達到空前的高度，已經成為5G無線通信的一個重要研究方向。5G作為4.5G的進一步演進，相對于4G而言，將會是一次極大的飛躍，它不僅僅意味著無線網絡的傳輸速度得到了極大的提升，還將解決海量智能終端設備的接入問題。而另一方面，如何在有限的無線頻譜資源情況下，實現海量的物聯接入將是一項巨大的挑戰，也將成為未來5G行業應用成功與否的關鍵。
四、大唐移動積極推動3D MIMO技術及產業發展
為充分發揮多天線技術可通過擴展空間傳輸維度而成倍提高信道容量的優勢，大唐移動持續在多天線技術的增強與優化方面進行了深入的研究。同時為了響應國家TD-LTE通信產業布局發展需要的號召，大唐移動已與國內產業界同仁攜手，共同推動3D MIMO技術的研究發展，在測量和建立3D MIMO信道模型、建立和完善技術評估與仿真平臺、研究和提出新型的反饋設計與傳輸方案、研究和評估新型干擾控制機制、設計新型的3D MIMO天線、形成系統完整的解決方案，完成系統驗證樣機的設計和驗證等多個方面展開工作。2014年7月，大唐移動聯合業內伙伴，實現3D MIMO原型驗證，證明3D MIMO原理可行，具備應用前景。自2015年開始，大唐移動著手啟動3D MIMO商用設備的研發工作，已經完成方案設計及算法研究工作，具備商用能力的設備將很快推向市場。
此外，作為IMT-2020（5G）推進組的核心成員，大唐已經在大規模天線、新型多址接入、超密集組網、高頻段通信、低時延高可靠、靈活頻譜共享等5G重點關鍵技術上取得了突破性進展。在2015年的5G峰會上，大唐不僅向業界分享了5G系統框架和關鍵技術研究的最新進展，還展出了業界首個支持128數字通道大規模天線系統的5G綜合驗證系統。該系統可驗證5G相關的通信技術和產品實現技術，如支持128和256通道的大規模天線技術、PDMA圖樣分割非正交多址接入技術、U/C分離技術、業務本地化、RAN虛擬化等。通過搭建5G關鍵技術的硬件平臺和驗證環境，大唐將進一步推動5G的技術儲備和標準研究工作，為技術走向產業夯實基礎。2016年3月，作為中國移動的戰略合作伙伴，大唐成為了中國移動聯合創新中心的首批成員單位，未來大唐將繼續與中國移動在5G領域展開廣泛深入的合作，共推5G發展。
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